物聯網無線通訊 通往未來的連線

2021-08-27 03:25:56 字數 3828 閱讀 9643

技術造就了商業的繁榮,商業推動了技術的發展。

摩爾定律

由英特爾(intel)創始人之一戈登·摩爾(gordon moore)提出。

其內容為:當**不變時,積體電路上可容納的元器件的數目,約每隔18-24個月便會增加一倍,效能也將提公升一倍。換言之,每一美元所能買到的電腦效能,將每隔18-24個月翻一倍以上。這一定律揭示了資訊科技進步的速度。

計算機行業有乙個摩爾定律,意思是說:計算機的cpu每兩年計算能力翻番,縮小一倍,功耗降低一倍,成本也會低一倍。這個定律也從根本上影響了通訊行業的發展。

自從夏農發明通訊理論以來,演算法從根本上決定了通訊的效率,而計算機晶元的計算能力決定了演算法是否能實現。通訊的吞吐量越高,演算法就越複雜,對晶元的要求就越高,而**、功耗、體積決定了這種通訊技術是否能得到大規模的應用。

從2g到3g,從3g到4g的跨越,背後都是計算機技術和通訊技術的不斷迭代的結果,而且迭代的節奏越來越快。現在還未商用的5g,已經逼近晶元技術的物理極限,如果在原理方向未有突破,人類社會將進入技術停滯的冰川期。

從2g時代到4g時代,無線蜂窩通訊技術一直朝著更高速,更低時延發展,到現在emtc,lte cat.1/cat.m, nb-iot, lora眾多廣域網低功耗無線通訊技術紛至沓來,讓人眼花繚亂,乙個方向是繼續向更高速、低時延的5g方向發展;另外乙個方向卻朝著截然相反的低功耗、廣覆蓋發展。

無人駕駛驅動5g到來

技術造就了商業的繁榮,商業推動了技術的發展。4g技術所帶來的,不僅讓移動端的資料處理能力足夠支撐多**的應用,還顛覆了很多行業的商業模式和行業生態,讓很多行業巨頭人人自危,生怕明天倒下的是自己。這算是移動通訊技術有史以來造成最大影響的一次。

4g網路一般能達到50ms的延時,但這對車聯網來說,還遠遠不能滿足需要。

傳統的燃油車,渾身上下最多200多個感測器,都是低速且需要實時傳輸資料的,所以汽車電子工程師在匯流排技術的基礎上發明了canbus高速的本地控制匯流排,雖然頻寬比較低,但是實時性比較好,可以很好地滿足安全氣囊、abs防抱死等應用。

同時,為了保障車輛、路面的安全,無人駕駛汽車還需要跟雲端通訊,以獲取車流、車速、位置、事故、線路狀態和規劃等資訊,也要和附近的車輛互動資訊。這些需求,毫秒級都慢了,要讓無人駕駛汽車真正上路,就得有微秒級的網路延遲。前兩天,華為在北京懷柔完成的5g真實網路環境業務驗證中,空口的延時已經達到了0.5ms,這個資料已經代表了空**術的極大突破,但是要真正實現端到端毫秒級的延時,還需要核心網下沉和一系列技術突破。

安全是無人駕駛需要解決的首要問題,譬如在大霧天氣下極易發生車輛連環追尾的事故,假設在高速公路行駛方向的前方發生了車輛追尾,後方車輛必須能夠立刻得到這些資訊,在短短幾毫秒之間完成規避的操作,或者減速、變換車道,整個高速公路上附近的車輛都得聯動起來,給規避的操作騰挪出空間。這就需要車輛和車輛之間能夠及時、高頻地交換資訊,協商,才能提前規劃好規避動作,不因規避導致二次事故。

除了微秒級的網路延遲,5g技術還要面對海量連線、更高速通訊的挑戰。

面向500億的連線

無人駕駛汽車的資料互動具有高頻、資料豐富、實時,三個特點,但是在gartner**物聯網世界的500億連線中,很大一部分是低頻、資料單

一、實時要求低的特點。

比如你家的門窗的開關狀態,0和1就能表達開和關,乙個bit就能解決。實際情況卻遠遠要複雜很多,假設你要通過手機的客戶端來檢視你健忘的老媽是否把窗戶關了,實際的傳輸過程,就需要把乙個裝手機的盒子放進乙個貨櫃裡面,然後通過高速公路送貨到你的手機中,然後你手機再把這個包裝開啟,獲取這乙個bit的資料。顯然,這對網路和計算資源來說都特別浪費。

假設你想知道你家飲水機裡面水位的高低,這也不是乙個快速變化的量,很多時候,一天採集兩三次資料就可以了。就算這些狀態值有幾個小時的延遲,實際上對你的使用也不會很大影響,只要你能夠在飲水機低水位的時候叫水就行了。

低頻、非實時、資料小是很多物聯網所連線物件的特點,但這非全部。低功耗和低成本、體積小也是物聯網很重要的訴求。

現在的電表大部分已經通過gprs的方式來讀取資料了,但是很多水表卻還沒有做到這點。這主要是因為,水表的安裝環境很難像電表獲得供電,因此只能裝電池,但電池肯定不能經常更換,需要保證5年的使用時間,這就對感測和通訊部分提出了非常苛刻的低功耗要求;另外在商業上,水表和電表不一樣,乙個家庭在夏天開空調的時候乙個月收幾百塊錢的電費很正常,而水費則每個月都差不多就那麼幾十塊錢。因此水務公司往往沒有電力公司那麼願意投錢,因為無錢可投。這也是水表的物聯網化為什麼一致遲滯於電表的原因。

顯然,只有功耗、成本到達引爆水表物聯網化的臨界點,水表抄表工才能擺脫日復一日毫無意義的勞動。

從技術演進的角度來說,除了摩爾定律以外,我們還要遵循物理學最樸素的能量守恆定律。

這就是說,你傳送越多的資料,需要的能量就越多,你消耗的能量越多,所傳送的資料越小,浪費也就越嚴重。

4g/5g等高速的無線資料傳輸技術就像剛才承運一台手機的貨櫃,對於這些小資料報來說,顯然是極為奢侈的浪費。因此各種物聯網通訊技術就應運而生,通過降低通訊的速率、和實時性來控制物聯網終端的功耗和成本。

lte cat.1, cat.m, nb-iot, lorawan, sigfox是現在主流的物聯網通訊技術,他們之間的區別就在於通訊速率和功耗。但是開發這些技術的目的也是不一樣的。

頻譜是運營商的最核心資源,運營商的天然壟斷就體現在對頻譜資源的占用上。運營商推廣lte cat.1和cat.m的原因是想用他們來替代原有的3g和gprs網路,然後把3g和gprs網路關閉掉。gprs就好比綠皮火車,3g就好比動車組,4g lte就好比高鐵。對於鐵道公司來說,他們當然想把鐵軌全部換了全部上高鐵,因為再不重新徵地修鐵路的情況下,他能解決創造更多的收入。一輛綠皮車從廣州跑到武漢需要跑1天,而高鐵運作得好一天就能跑3回。綠皮車乙個座位一天能創造200元的收入,高鐵票一張450快,乙個座位就能創造1350元的收入。

你說運營商會選哪個?

但是市場上肯定還有區間交通對低速列車的要求,因此鐵路公司就用高鐵車組減配和降速去跑區間交通市場,因為原來的綠皮車和動車組肯定不能在高鐵的軌道上跑了。

nb-iot, lorawan, sigfox所能提供的速率更低,因此功耗更低。它們在功耗控制、速率和成本上並沒有根本性的區別,但是在商業模式上有很大的不同。

nb-iot是移動運營商用以替代部分低速的gprs和新的物聯網應用的網路,所以要使用nb-iot網路就得向運營商繳納費用。

而lorawan則可以讓使用者自行建設網路,擺脫對運營商的依賴,但是你要負責網路的運營。sigfox則通過自行建網和運營,向使用者提供網路並收取費用,實際上就是乙個廣域網低功耗網路的電信運營商。

那麼在實際的應用中,又有什麼區別呢?

假設潤田桶裝水公司,想通過獲取你家桶裝水的水位資訊來提前跟你預約送水,以提高他們的服務水平,獲得更多的市場份額和收入?這三種通訊技術應該選哪家呢?

sigfox顯然不可能,因為中國沒有這種網路。作為物聯網的運營商,想來中國砸中國電信、移動聯通的飯碗,顯然是不可能的。

lorawan呢?顯然潤田桶裝水是不可能自己來建乙個覆蓋全廣州的網路的,因此潤田桶裝水公司只能選擇運營商的無處不在的nb-iot網路。

但是如果潤田桶裝水在它的生產基地想監控水質情況,而生產基地又在深山老林裡面,沒有網路怎麼辦?那麼自行或者找第三方協助,建設lorawan網路來覆蓋整個園區,不失為一種很好的選擇。

物聯網是乙個充分碎片化的市場,客戶的需求是豐富多樣的,單一技術無法為所有客戶解決所有問題。雖然sigfox、nb-iot、lorawan等等都是朝著乙個方向演進,儘管彼此有競爭,但卻是互為補充的關係,因為物聯網的未來,沒有一種通訊技術能夠一統天下。物聯網的世界,一定是五彩繽紛的。

隨著工信部宣布150萬個nb-iot基站部署的計畫,物聯網基礎設施正在以前所未有的速度加快落地,面向未來的連線已經來到我們的面前,未來已來!

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